Controle de qualidade de polímeros: Qual a sua importância e quais os principais ensaios utilizados?

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O controle de qualidade de materiais poliméricos é uma etapa importante para garantir maior segurança, economia, produtividade e satisfação em todo o processo de produção de polímeros.

Quais são as práticas recomendadas para implementar o controle de qualidade em polímeros?

É possível elencar diversas práticas capazes de garantir um melhor controle de qualidade de polímeros. Dentre elas estão a homologação de fornecedores, criação de uma especificação de qualidade e a realização de ensaios laboratoriais para garantir que a matéria-prima e/ou produto está dentro da especificação.

Quais são as técnicas utilizadas para isso?

Existe uma gama de ensaios laboratoriais capazes de atender diferentes objetivos dentro do controle de qualidade de polímeros.

Os ensaios mecânicos como o de tração, flexão e impacto, por exemplo, são essenciais para verificar requisitos mínimos e propriedades de produtos de diversos segmentos. Através destes ensaios é possível determinar se as matérias primas ou produtos acabados atendem os requisitos mínimos de resistência mecânica para desempenharem a aplicação necessária.

Alguns outros ensaios como os químicos, térmicos e microscópicos podem fornecer informações ainda mais detalhadas sobre o material de interesse. Um exemplo bastante comum é a homologação de fornecedores, onde ensaios como a Calorimetria Diferencial Exploratória (DSC) e a Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) podem ser empregados complementarmente para determinar se a matéria prima polimérica adquirida para a fabricação de um produto possui a mesma composição que aquela especificada para o fornecedor.

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Além destes ensaios, a Termogravimetria (TGA) e a Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) também podem ser empregadas para identificar a presença de cargas inorgânicas na composição.

Outro tipo de objetivo atendido pelas análises químicas, e que é essencial para o controle de qualidade de plásticos, é a investigação de possíveis contaminações de materiais. Como por exemplo verificar a presença de metais pesados ou outros compostos indesejáveis na composição do material em questão. Esse tipo de determinação pode ser feita por técnicas  como ICP-OES, FTIR ou MEV-EDS.

Imagem ilustrativa de controle de qualidade em polímeros

Imagem ilustrativa de controle de qualidade em polímeros

Já as análises reológicas também cumprem um papel importante, uma vez que conhecer o comportamento do material no estado fundido, e principalmente durante o fluxo, é essencial para todos métodos de processamento utilizados na moldagem de produtos plásticos.

Como exemplo, podemos citar o ensaio para medida da viscosidade, onde é possível analisar a resistência ao escoamento de um determinado polímero, sendo possível obter informações importantes em estudos comparativos, como diminuição da massa molecular, quebra de cadeias poliméricas, degradação, enfim, características muito importantes para seleção de materiais e escolha dos parâmetros de processamento adequados, de forma a garantir a qualidade das peças poliméricas.

A Afinko Soluções em Polímeros realiza diversos ensaios que podem auxiliar no controle de qualidade de materiais poliméricos. Caso tenha interesse em realizá-lo entre em contato através do e-mail: contato@afinkopolimeros.com.br

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O que é o ensaio de Resistividade de polímeros?

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O Ensaio de Resistividade de polímeros é responsável por medir a resistência que um material plástico oferece ao fluxo de corrente elétrica. A propriedade pode ser obtida considerando o volume da amostra ou apenas sua superfície, ou seja,  Resistividade Volumétrica ou Superficial.

Quando um polímero é submetido à uma tensão elétrica, ou diferença de potencial, quanto menor sua resistividade, maior será a condutividade elétrica do mesmo, ou seja, as cargas elétricas encontram uma resistência menor à circulação de corrente elétrica.

Imagem ilustrativa ensaio de Resistividade de polímeros

Imagem ilustrativa ensaio de Resistividade de polímeros

Por que realizar o Ensaio de Resistividade em polímeros?

Os valores de resistividade volumétrica de materiais poliméricos obtidos durante este ensaio podem ser utilizados para auxiliar na seleção de materiais para aplicações específicas, onde isolamento ou condutividade elétricos são características requeridas.. Por exemplo, a determinação da resistividade volumétrica de produtos utilizados em contato com energia elétrica, como fios e tomadas, é extrema importância para garantir um uso seguro dentro dos  padrões de segurança.

Outro exemplo da importância desse tipo de ensaio, é o estudo da resistividade volumétrica em pastas condutivas e outros componentes eletrônicos, podendo indicar contaminação se o nível desejado de resistividade ou condutividade não for alcançado.

Além disso, a análise de resistividade superficial pode contribuir para a especificação de alguns dispositivos que necessitam realizar a dissipação da eletricidade estática em sua superfície.

Como o Ensaio de Resistividade é realizado?

Para este teste uma amostra de tamanho padrão é colocada entre dois eletrodos e a distância entre os mesmo é medida. Quando o ensaio é iniciado, a amostra é submetida à uma diferença de potencial de 500V, por sessenta segundos (a não ser que o objetivo do ensaio necessite de um tempo diferente).

Através da medida da corrente elétrica que circula pelo material, é possível calcular a resistividade volumétrica de um material ou em sua superfície. Além disso, é importante ressaltar que o ambiente do ensaio tem influência no resultado, já que a resistividade pode ser afetada de acordo com a umidade, temperatura e rugosidade da superfície dos materiais, entre outros fatores.

A Afinko Soluções em Polímeros realiza o Ensaio de Resistividade em diversos tipos de materiais. Caso tenha interesse em realizá-lo entre em contato através do e-mail: contato@afinkopolimeros.com.br

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O que é o Ensaio de Coeficiente de Atrito (COF)?

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O Ensaio de Coeficiente de Atrito, também conhecido como COF (Coefficient of Friction), é um teste que mensura a força de atrito ao deslizar-se um material em uma superfície específica.

Os valores de coeficiente de atrito podem variar entre 0 e 1, onde o valor nulo indica que não há atrito entre os materiais, enquanto 1 significa que a força de atrito é igual a força normal.  Este ensaio pode ser realizado em uma grande variedade de produtos, como por exemplo: plásticos, lubrificantes, cerâmicas, metais etc.

 

Imagem ilustrativa sobre o ensaio de coeficiente de atrito (Fonte: Mundo do Plástico)

Figura 1: Imagem de fábrica de filmes plásticos (Fonte: Mundo do Plástico)

Por que realizar o ensaio de Coeficiente de atrito?

A determinação do coeficiente de atrito, tanto estático quanto dinâmico, pode ser utilizada para especificar as propriedades de diversos materiais que durante sua aplicação serão submetidos a solicitações de fricção.

A determinação do coeficiente de atrito estático e dinâmico é particularmente interessante para filmes que são conformados em produto final em máquinas de embalagem e impressão. Os coeficientes de atrito fornecem informações sobre a processabilidade e a estrutura da superfície, o que é importante para determinar a capacidade de impressão do material.

Como é realizado o Ensaio de Coeficiente de Atrito?

Um dos métodos de ensaio pode ser executado numa máquina universal de ensaios, onde um dispositivo com um peso e formato padrão, conhecido como trenó, é utilizado para deslizar a amostra sobre uma superfície específica.
O sistema é montado de tal forma que o trenó com a amostra é posicionado sobre a superfície de teste, e é deslocado através de um cabo pela travessa móvel da máquina universal de ensaios. O trenó é então percorre uma determinada distância com uma velocidade específica, ambas de acordo com a norma utilizada como referência. Como por exemplo a norma ASTM D1894, que adota como velocidade do ensaio 150mm/min, até que o deslocamento complete 130mm.

Após o ensaio, de acordo com a força registrada quando o deslocamento do trenó é iniciado, e do valor registrado quando o deslocamento é estável e constante, é possível utilizar os valores obtidos para calcular os valores referentes aos coeficientes estático e dinâmico, respectivamente, através das seguintes equações:

Onde:
ms = Atrito estático
As = Valor de força mensurado quando o trenó inicia o deslocamento.
B = Massa do trenó.

E da equação:

Onde:

mk = Coeficiente de Atrito Dinâmico
Ak = Valor médio da força mensurada durante o deslocamento.
B = Massa do trenó.

Através dos cálculos indicados acima, é possível obter como resultado do Coeficiente de Atrito Estático e Dinâmico da amostra.

Alguns fatores podem afetar o resultado do ensaio, como por exemplo a velocidade de teste, a calibração da célula de carga, a inclinação da superfície de teste, dentre outros.

A Afinko Soluções em Polímeros realiza o Ensaio de Coeficiente de Atrito (COF) em diversos tipos de materiais. Caso tenha interesse em realizá-lo entre em contato através do e-mail: contato@afinkopolimeros.com.br

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Como e por que determinar o módulo de elasticidade de borrachas?

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O módulo de elasticidade das borrachas é uma informação muito importante para que suas propriedades sejam adequadas para cada uma das aplicações onde estes materiais são utilizados.

As borrachas, ou elastômeros, são polímeros com propriedades muito características e sua utilização é amplamente explorada industrialmente. Uma delas é a capacidade de mesmo após sofrer grandes deformações, com a aplicação de uma carga, recuperar-se e retornar às suas dimensões originais após a remoção da carga aplicada.

Uma das informações mais importantes e que regem o comportamento mecânico das borrachas é o seu módulo de elasticidade, também conhecido como Módulo de Young. Esta medida é uma grandeza proporcional à rigidez do material. Em outros termos, trata-se da razão entre a tensão aplicada e a deformação sofrida por uma peça ou produto, quando o regime de deformação é elástico, ou seja, na região linear de uma curva de tensão x deformação.

Imagem ilustrativa do módulo de elasticidade em borrachas (Fonte: Castor International)

Imagem ilustrativa de borracha (Fonte: Castor International)

Por que determinar o módulo de elasticidade de borrachas?

O valor do módulo de elasticidade das borrachas é uma informação relevante para diversos setores que utilizam estes materiais em seus produtos e o principal motivo é que cada aplicação necessita de borrachas com rigidez adequada, desde menos rígidas, como uma mangueira, até as mais rígidas, como alguns pneus. Dessa forma, a escolha da borracha com módulo de elasticidade apropriado é primordial para que uma peça seja capaz de atender às solicitações mecânicas durante o uso e desempenhar todas as suas funcionalidades.

Qual ensaio é utilizado para determinar o módulo de elasticidades em borrachas?

O módulo de elasticidade pode ser obtido em diversos tipos de solicitação mecânica (tração, compressão, cisalhamento, etc) e por diferentes técnicas de ensaio. No entanto, o ensaio de tração é um dos mais práticos e é bastante utilizado para obter os valores do módulo de elasticidade dos elastômeros. Esta análise pode ser realizada tanto em corpos de prova, como em produtos acabados.

No ensaio de tração, um corpo de prova (ou produto) tem suas extremidades fixadas no equipamento de ensaio através de garras, ou outro tipo de acoplamento, e passa a sofrer deformação. Uma das extremidades é móvel e passa a ser deslocada no sentido oposto à outra extremidade que é fixa. Esse deslocamento gera o alongamento do material testado e geralmente é realizado até que o mesmo se rompa.

Durante o alongamento as cargas aplicadas também são registradas e uma curva de tensão x deformação é construída. Através desta curva é possível obter diversas propriedades mecânicas, dentre elas, o módulo de elasticidade do material.

A Afinko Soluções em Polímeros realiza o Ensaio de Tração com o objetivo de determinar o módulo de elasticidade de borrachas. Caso tenha interesse em realizá-lo entre em contato através do e-mail: contato@afinkopolimeros.com.br

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Como resolver o problema de empenamento de peças plásticas?

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O empenamento é um fenômeno indesejado, porém bastante comum no processamento de produtos poliméricos.

O que é o empenamento de peças plásticas?

O empenamento de peças plásticas consiste na distorção dimensional do formato original destes produtos. Tais alterações dimensionais, podem prejudicar o desempenho durante o uso e a modificar a aparência de produtos que apresentem este tipo de problema. O empenamento acontece com frequência em produtos resfriados muito rapidamente durante sua moldagem.

 O que causa o fenômeno de empenamento?

Diversos fatores são responsáveis por causar este tipo de fenômeno em peças poliméricas moldadas. Um deles é o resfriamento diferencial da peça, ou seja, algumas regiões se resfriam mais rápido que outras causando distorções dimensionais durante o processo de solidificação.

Peças moldadas com altas pressões, ao se solidificarem, podem manter tensões internas congeladas. Estas podem ser liberadas durante o uso, pelo contato com alguma substância química ou presença de altas temperaturas, por exemplo, causando empenamento e até mesmo a ruptura.

Outro fator que contribui para que este fenômeno ocorra é a é a orientação molecular causada pelo processo de moldagem, que pode proporcionar a ocorrência de contração dimensional diferencial, isto é, diferente em cada direção da peça.

Imagem ilustrativa de peça com empenamento.

Figura: Imagem ilustrativa de peça empenada.

Como resolver ou minimizar o empenamento em produtos poliméricos?

Existem algumas medidas que podem ser adotadas para evitar este tipo de defeito. O primeiro passo é o projeto de moldes e matrizes, de forma a evitar que ocorram regiões com elevada orientação molecular.

Outro fator que pode contribuir é o resfriamento homogêneo em todas as regiões da peça. Dessa forma, garante-se que a mesma taxa de resfriamento ocorra ao longo da mesma. Isso pode ser realizado também através do projeto dos moldes e matrizes, por meio da escolha do material ou do uso de temperaturas e tempos de resfriamento adequados.

A Afinko realiza o ensaio de contração pós moldagem, que avalia o comportamento da peça após processamento, além de diversos outros ensaios. Caso tenha interesse, entre já em contato pelo e-mail: contato@afinkopolimeros.com.br

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Como o Ensaio de Flamabilidade pode salvar vidas?

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O episódio ocorrido na Fórmula 1 com o piloto Romain Grosjean chocou o mundo. Principalmente após o piloto deixar o carro em chamas, andando e sem ferimentos graves. Você sabe como isso é possível?

A Fórmula 1 é um esporte que possui muitos riscos à vida de todos aqueles que estão no autódromo, do piloto ao expectador, além daqueles que auxiliam na sinalização, segurança e manutenção. Por isso, utiliza alta tecnologia em suas pistas, carros e uniformes,  com o intuito de proteger a todos. Neste texto vamos focar nos uniformes utilizados pelos pilotos, equipe dos boxes e pelo suporte de pista.

Uma das características mais importantes desse uniforme é a resistência ao fogo. E foi justamente esta propriedade que garantiu que Romain Grosjean pudesse sair praticamente ileso do acidente, mesmo com o carro ainda em chamas.

Como o ensaio de flamabilidade pode salvar vidas?

Figura: Imagem do piloto Romain Grosjean após acidente na Fórmula 1.

Por que a roupa de Romain Grosjean não pegou fogo?

O motivo está diretamente ligado ao tipo de material utilizado na fabricação dos uniformes de Fórmula 1. Estes produtos são constituídos de uma variação da Aramida, conhecida como Meta-Aramida. A Meta-Aramida é um polímero que apresenta estrutura similar à da Poliamida, porém com anéis aromáticos compondo a cadeia principal, tornando o polímero mais rígido e durável.

Somado a isso, a Meta-Aramida possui uma excelente resistência química, térmica e à radiação, além de serem leves e excelentes isolantes elétricos. Quando estes polímeros são expostos ao calor, uma reação especial ocorre, permitindo que mais energia seja capturada no tecido, o que fornece uma grande proteção contra o calor.

O ensaio de flamabilidade é essencial para que estes materiais tenham suas propriedades aferidas, bem como para garantir o controle de qualidade destes produtos. Você sabe como este ensaio é realizado?

Como é realizado o Ensaio de Flamabilidade?

O Ensaio de Flamabilidade é baseado no contato ou aproximação de uma amostra de material polimérico à uma chama, permitindo assim a análise de seu comportamento.

Dependendo da finalidade do produto polimérico, a realização dessa análise é fundamental e seu resultado é determinante para a prevenção de acidentes causados por incêndios. Isso se deve pelo fato de que cada polímero reage de uma forma diferente quando é exposto à chama.

Uma das características que podem ser verificadas no Ensaio de Flamabilidade é a capacidade de autoextinção das chamas. Um polímero pode ser classificado, seguindo os critérios de normas técnicas como a UL94, como autoextinguível, quando existe a aplicação de uma chama por um tempo determinado e após a remoção da fonte de ignição a chama no polímero se extingue de forma espontânea. Este é o caso do material utilizado nos uniformes da Fórmula 1.

Caso contrário, a propagação da chama é acompanhada de forma controlada podendo fornecer informações importantes como: velocidade de propagação da chama, tendência a espalhar o incêndio por gotejamento de frações de plástico fundido em chamas e geração e densidade da fumaça.

Diversos órgãos nacionais e internacionais fornecem normas para ensaios que determinam os parâmetros e etapas do Ensaio de Flamabilidade, como a ISO 3795 e a ASTM D635, utilizadas para determinar a taxa de queima das amostras, e a UL94 , que além da taxa de queima, permite a classificação do polímero em algumas categorias (5VA, 5VB, V-0, V-1, V-2 e HB).

A Afinko Soluções em Polímeros realiza o Ensaio de Flamabilidade. Caso tenha interesse em realizá-lo entre em contato através do e-mail: contato@afinkopolimeros.com.br

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Como determinar a presença de plastificantes em polímeros?

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O teor de plastificantes presentes na composição de um polímero é uma informação bastante importante para que se tenha um controle das propriedades do material.

O que são plastificantes?

Segundo a IUPAC (União Internacional de Química Pura e Aplicada), o plastificante é uma substância ou um material incorporado em um plástico ou elastômero para aumentar a sua flexibilidade, a processabilidade ou a extensibilidade (capacidade de alongar).

Estes aditivos são capazes de reduzir a viscosidade do fundido, assim como a sua temperatura de transição vítrea (Tg) e o módulo elástico, sem que se altere as características químicas fundamentais do material plastificado. Os plastificantes se alocam entre as cadeias poliméricas do material, diminuindo a interação entre elas, através do aumento do volume livre entre as cadeias ou através do enfraquecimento das ligações secundárias, resultando em uma matriz mais flexível e extensível.

Por que determinar a presença de plastificantes?

A quantidade de plastificante é um fator bastante importante para o sucesso da aplicação de compostos poliméricos em diversos produtos. Como um dos efeitos deste tipo de aditivo é garantir flexibilidade ao material utilizado, teores muito altos ou muito baixos, podem gerar propriedades inadequadas, resultando até mesmo em falhas indesejadas nas peças moldadas.

Além disso, em alguns casos, verificar o teor destes compostos em alguns produtos é uma obrigação legislativa, como por exemplo a classe de plastificantes conhecidos como ftalatos, que são comumente aplicados em produtos de PVC (poli cloreto de vinila) e que devem obedecer um teor máximo quando aplicados em produtos destinados à crianças, por exemplo.

Figura: Imagem ilustrativa de Falha de Material com Plastificante.

Figura: Imagem ilustrativa de Falha de Material com Plastificante.

Quais ensaios são utilizados para determinar a presença de plastificantes?

Os três principais ensaios utilizados para determinar a presença de plastificantes em materiais poliméricos são:

Cromatografia Gasosa acoplada à Espectrometria de Massas (GC-MS)

Neste tipo de cromatografia, a amostra, em estado gasoso passa por uma coluna responsável pela separação dos diferentes constituintes presentes. Depois da separação, as substâncias presentes são identificadas por Espectrometria de Massas.

Esta análise permite detectar a presença não só de plastificantes, mas também de antioxidantes, monômeros residuais, entre outros, contribuindo em análises de falhas ou estudos que visem a investigação dos constituintes presentes na composição de materiais poliméricos.

Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR)

O ensaio de FTIR é utilizado na caraterização e identificação de grupamentos químicos de materiais orgânicos e inorgânicos e permite avaliar diversas características. Esta técnica utiliza a interação da radiação infravermelha com a matéria para fornecer informações, através da identificação dos grupamentos químicos presentes no material da amostra analisada.

(Nós já escrevemos um texto sobre este ensaio. Click no link para saiber mais: https://afinkopolimeros.com.br/o-que-e-analise-de-ftir/)

Termogravimetria (TGA)

A Termogravimetria é uma análise térmica utilizada na investigação do comportamento dos polímeros durante sua decomposição térmica dos polímeros. Este ensaio quantifica teor de material orgânico, plastificantes, perda de solventes, podendo também, em alguns casos, constatar a ocorrência de uma mistura de materiais.

(Quer saber mais sobre este ensaio? Nós temos um conteúdo completo sobre o tema. Acesse já: https://afinkopolimeros.com.br/o-que-e-o-ensaio-de-termogravimetria-tga/)

O resultado da análise apresenta-se na forma de uma curva de massa em função do tempo e temperatura. A partir das variações percentuais de massas é possível realizar a análise quantitativa de alguns compostos presentes no material.

A Afinko realiza todos os ensaios listados com o objetivo determinar a quantidade de plastificantes presentes em diversos tipos de materiais poliméricos. Caso tenha interesse, entre já em contato pelo e-mail: contato@afinkopolimeros.com.br

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Degradação de polímeros: Quais as consequências e como evitá-la?

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Os diferentes tipos de degradação de polímeros são reações indesejáveis que ocasionam decréscimo em propriedades importantes que afetam a qualidade de peças poliméricos.

O que é e como ocorre o processo a degradação de polímeros?

Apesar de indesejados, os processos de degradação são bastante comuns nos materiais poliméricos.  Esse processo pode ser originado através de diversos tipos de reações químicas, como por exemplo: oxidação, despolimerização, reticulação, cisão de ligações químicas, entre outros.

O processo de iniciação de uma degradação é caracterizado pelo rompimento de uma ligação covalente, gerando elementos reativos que são responsáveis por dar continuidade ao processo. Uma das formas mais comuns de se iniciar o fenômeno de degradação é através de uma fonte de energia externa, dentre as mais comuns estão: calor e luz (radiação).

Quais os problemas gerados pela degradação de polímeros?

A degradação gera muitos efeitos indesejados em peças moldadas com polímeros. Um dos principais é a alteração nos aspectos visuais, como mudança de cor, amarelamento, surgimento de manchas e alteração de brilho.

Figura ilustrativa sobre degradação

Figura: Imagem Ilustrativa de Plástico Degradado (Fonte: Catraca Livre)

 

Além dos problemas ligados à aparência citados, a alteração de propriedades mecânicas e reológicas também é uma consequência bastante comum dos processos de degradação de polímeros. A cisão das cadeias reduz a massa molar dos polímeros, reduzindo as propriedades mecânicas e a viscosidade. Por outro lado, processos degradativos que envolvem reticulação tendem a ocasionar incrementos drásticos na viscosidade.

Outro problema que pode ser causado através da degradação é o surgimento de fissuras, que podem concentrar tensões e aumentar a probabilidade de falhas mecânicas em materiais utilizados em aplicações onde há solicitação mecânica considerável.

Como evitar e identificar a degradação de polímeros?

A principal forma de se evitar os efeitos indesejados de processos de degradação de polímeros é através da escolha adequada do material, e de seus aditivos, para cada aplicação, principalmente quando há a presença de fatores como calor, contato com outras substãncias e radiação (luz).

Para auxiliar no processo de escolha, existem diversos ensaios utilizados a fim de analisar o comportamento e as propriedades de materiais poliméricos submetidos às condições de uso, principalmente quando estas contribuírem com a degradação.

O ensaio de Envelhecimento Acelerado (Weatherometer), por exemplo, submete as amostras à radiação UV, temperatura e umidade por um determinado tempo, permitindo a comparação de inúmeras propriedades (cor, brilho, resistência à tração, etc) antes e após o envelhecimento. Dessa forma, é possível avaliar a capacidade das condições ambientais de causar degradação em peças poliméricas e consequentes decréscimos em suas propriedades.

Outro ensaio utilizado para analisar quantitativamente a degradação sofrida por um material é a Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR), que é capaz de identificar grupamentos químicos presentes na estrutura do material. Como alguns processos de degradação são responsáveis pelo rompimento ligações covalentes, promovendo a formação de outros grupamentos químicos, é possível analisar a presença e o teor desses novos grupamentos resultantes do processo degradativo, comparando a intensidade de degradação presentes nas diferenteas amostras poliméricas analisadas.

A Afinko realiza os ensaios listados acima com o objetivo de analisar o comportamento dos materiais submetidos à fatores que podem causar sua degradação. Caso tenha interesse , entre já em contato pelo e-mail: contato@afinkopolimeros.com.br

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Cristalinidade de polímeros: O que é e como determinar?

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A cristalinidade dos polímeros é um fator estrutural muito importante pois está diretamente relacionado com diversas propriedades, entre elas as mecânicas. O ensaio de Calorimetria Diferencial Exploratória (DSC) é um dos testes mais práticos para determinação do teor de cristalinidade dos materiais poliméricos.

O que é a cristalinidade de um polímero?

Os polímeros são materiais compostos por longas cadeias de átomos formadas unidades básicas que se repetem ao longo da estrutura molecular (conhecida como mero). A Cristalinidade está relacionada com a forma com a qual essas longas cadeias estão organizadas. Assim, um cristal é formado quando as moléculas poliméricas apresentam ordem de longo alcance, ou seja, estão ordenadamente empacotadas ao longo de grandes distâncias atômicas.

Devido ao enorme comprimento de suas cadeias, os polímeros, em condições normais, não se cristalizam por completo e, dessa forma, são conhecidos como polímeros semicristalinos. O processo de cristalização de um determinado polímero depende de diversos fatores, principalmente da taxa de resfriamento utilizada durante o processo de moldagem.

Imagens de cristais poliméricos por microscopia (Cristalinidade)

Figura: Imagens de estruturas cristalinas de polímeros.

 

Por outro lado, alguns polímeros, por características estruturais de suas moléculas, não se cristalizam. Estes são conhecidos como polímeros amorfos.

(Nós já escrevemos um texto sobre polímeros amorfos e semicristalinos, acesse já clicando no link: https://afinkopolimeros.com.br/polimero-cristalino-o-que-e-saiba-ja/)

Quais propriedades são alcançadas através da cristalinidade?

A cristalinidade tem influência na maioria das propriedades dos polímeros. Como, por exemplo, as propriedades ópticas. Quanto maior o grau de cristalinidade dos polímeros mais opacos eles se tornam. Assim, polímeros transparentes não possuem cristalinidade, ou seja, são amorfos.

Além disso, à medida que os teores de cristalinidade aumentam em um polímero, há também o aumento do módulo elástico, resistência ao escoamento e dureza.

Como determinar o teor de cristalinidade em materiais poliméricos?

Uma das principais técnicas para determinação da cristalinidade de materiais poliméricos é a Análise de Calorimetria Diferencial Exploratória (DSC).

Durante o ensaio DSC a amostra é submetida à uma rampa de temperaturas e o fluxo de calor causado pelas transições térmicas dos materiais analisados (processos endotérmicos, exotérmicos e variações na capacidade calorífica) é medido em função do tempo e temperatura.

Os polímeros semicristalinos possuem uma transição térmica caracterizada pela fusão dos cristais. Essa transição ocorre a uma temperatura conhecida como Temperatura de Fusão Cristalina (Tm), onde o material adquire energia suficiente para vencer as forças secundárias que unem as moléculas de seus cristais, causando a sua transformação para o estado líquido (viscoso).

Como neste processo ocorre absorção de energia, o DSC mensura o fluxo de calor obtendo o valor da variação de entalpia ocorrida durante esta transição térmica. Através da entalpia medida, e comparando-se com valores teóricos obtidos em laboratório, obtém-se o teor de cristalinidade do material analisado.

A Afinko Soluções em Polímeros realiza o ensaio DSC para a determinação da cristalinidade de amostras poliméricas. Caso tenha interesse em realizá-lo entre em contato através do e-mail: contato@afinkopolimeros.com.br

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Nós recomendamos:

Ciência dos Polímeros – Sebastião V. Canevarolo Jr. – Editora Artliber.

O que são transições térmicas e como determiná-las em polímeros?

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As transições térmicas são transformações na estrutura dos polímeros causadas pela temperatura em que são submetidos podendo interferir diretamente em suas propriedades.

O que são transições térmicas?

Quando um polímero é submetido à um aquecimento ou resfriamento, sua estrutura pode sofrer transformações de fase. Tais transformações podem envolver absorção ou liberação de energia na forma de calor, e são conhecidas como transições térmicas. As transições térmicas ocorrem de acordo com os níveis energéticos absorvidos ou liberados, pois cada transformação demanda uma determinada quantidade de energia.

Existem dois tipos principais de transições térmicas:

Transições de primeira ordem: São transições que ocasionam alterações instantâneas na entropia e no volume específico do polímero em função da temperatura ou pressão. Como exemplo temos a Cristalização e a Fusão dos Cristais.

Transições de segunda ordem: São transições que, ao contrário das transições de primeira ordem, não resultam em alterações instantâneas de entropia e nem no volume específico do polímero em função da temperatura ou pressão. Como exemplo temos a Transição Vítrea.

(Nós já escrevemos um texto sobre transição vítrea aqui no blog. Leia agora clicando no link: https://afinkopolimeros.com.br/temperatura-de-transicao-vitrea-tg/)

Por que determinar as transições térmicas?

Em alguns casos é de extrema importante conhecer as faixas de temperatura onde ocorrem essas transformações, pois elas podem afetar diretamente as propriedades dos polímeros, e consequentemente seu desempenho, bem como as condições de processo e moldagem de cada um deles.

A cristalização, por exemplo, é responsável por garantir ao polímero um aumento gradual em sua resistência mecânica. Portanto, conhecer a temperatura e a cinética dessa transição térmica é de extrema importância para controlá-la durante o processamento. Além disso, ter conhecimento da temperatura onde ocorre a fusão dos cristais também é necessário, principalmente para realizar a seleção correta do material para cada aplicação e escolher as melhores condições de moldagem.

Imagem de molécula polimérica que sofrem alterações entre si através das transições térmicas

Figura: Imagem Ilustrativa de Molécula Química

Outra transição térmica importante, e que está diretamente associada às propriedades e aplicações dos polímeros é a Transição Vítrea. Essa transição ocorre quando, durante o aquecimento, a fase amorfa de um material polimérico passa de um estado vítreo, onde suas cadeias não possuem energia suficiente para ter mobilidade, para um estado borrachoso, onde as cadeias de sua fase amorfa passam a ter energia interna suficiente para de deslocar.

Quais ensaios são utilizados para determinar as transições térmicas?

Análise Térmica Dinâmico-Mecânica (DMA ou DMTA).

A análise DMTA é responsável por determinar com exatidão a temperatura onde ocorre a Transição Vítrea (Tg). É um ensaio onde a amostra é submetida à uma deformação oscilatória (senoidal, na maioria das vezes), que pode ser de tração, flexão, torção e cisalhamento. Durante o ensaio, o equipamento mensura a resposta mecânica da amostra enquanto ocorre uma varredura em uma faixa de temperatura definida.

À medida que um polímero termoplástico é aquecido, e submetido às deformações, em uma determinada temperatura específica ocorre a perda da rigidez original, devido ao ganho de mobilidade das cadeias da fase amorfa, caracterizada graficamente por uma queda no módulo de armazenamento em função da temperatura.

Desta forma, através da análise gráfica, ao se analisar a queda no módulo pronunciada no gráfico, gerado pelo equipamento DMTA, é possível determinar com exatidão a temperatura onde ocorre a transição vítrea (Tg), responsável pela perda de rigidez do material polimérico.

Curvas característica do ensaio DMTA, utilizado na análise de transições térmicas

Figura: Curvas geradas pelo Ensaio DMTA.

Ensaio Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC).

O ensaio de DSC é capaz de determinar com exatidão o processo de cristalização e de fusão dos cristais, além de determinar a faixa de temperatura onde ocorre a transição vítrea da amostra. Essa análise consiste em submeter a amostra a uma varredura em uma faixa de temperaturas definida e, através das variações de entalpia pode-se determinar as transições térmicas, tanto de primeira quanto de segunda ordem.

(Nós já escrevemos um texto completo sobre o ensaio de DSC. Confira agora clicando no link: https://afinkopolimeros.com.br/dsc-o-que-e-e-para-que-serve/)

Curvas característica do ensaio DSC, utilizado na análise de transições térmicas

Figura: Curva característica gerada durante o ensaio DSC.

Ao realizar um ensaio de DSC, obtém-se como resultado uma curva que relaciona o fluxo de calor com a temperatura, durante as condições de aquecimento e resfriamento aplicadas. A Transição vítrea (Tg), é caracterizada graficamente por uma mudança na linha de base da curva DSC como destacado na figura abaixo.

Já as temperaturas onde ocorrem as transições de primeira ordem, como a Cristalização (Tc) e a Fusão Cristalina (Tm), são caracterizadas por picos bem definidos no gráfico, podendo ser exotérmicas (liberação de calor) ou endotérmicas (absorção de calor) como destacado na figura abaixo.

Curvas característica do ensaio DSC, utilizado na análise de transições térmicas

Figura: Curva característica gerada durante o ensaio DSC.

Além de sua indiscutível utilidade prática em processamento e aplicação de polímeros, a determinação e conhecimento das transições térmicas são uma poderosa ferramenta na caracterização de polímeros, contribuindo de maneira relevante para sua identificação.

A Afinko Soluções em Polímeros, realiza todos os ensaios necessários para a identificação das Transições Térmicas de diversos polímeros. Caso tenha interesse em realizá-los, entre em contato através do e-mail:  contato@afinkopolimeros.com.br

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